Ein „Predriver“-IC bietet Flexibilität und Sicherheit bei der Auslegung
Wie lassen sich Motoren optimal ansteuern?
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Wie lassen sich Motoren optimal ansteuern?
Weiterhin gibt es den Trend, Motoren sensorlos zu kommutieren – also ohne Hall-Sensoren oder Encoder. Da die Positionierung mit Hall-Sensoren die Leistungsfähigkeit des Motors extrem beeinflusst, ist eine sensorlose, auf der generatorischen Wirkung des Motors basierende Kommutierung oft nicht nur einfacher, sondern auch besser. Dies ist insbesondere für kleine Motoren relevant, da hier die Anforderung an die absolute Positioniergenauigkeit sehr hoch ist. Auch dies soll der „weiße Fleck“ zwischen Mikrocontroller und Schalttransistoren leisten. Um bei all diesen zu bedenkenden Faktoren zu einem zufriedenstellenden Ergebnis zu gelangen, sind fundierte Kenntnisse der Analogtechnik erforderlich.
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Die günstige Komplettlösung
Viele am Markt erhältliche Komponenten sind zu einfach aufgebaut und zu wenig anwendungsnah entworfen, um eine optimale Ansteuerung zu gewährleisten. Sie verlagern auch oft Funktionen in spezialisierte „Motion Control“-Mikrocontroller mit integrierter Spezialperipherie. Diese sind häufig teuer und schlecht verfügbar, und sie werden auch schnell wieder vom Markt genommen, wenn der Leitkunde entfällt. Einige der im neuen Predriver „TMC603“ von Trinamic realisierten Ideen definieren den „State of the art“ in dieser Disziplin und vereinfachen die Aufgabe erheblich.
Zentralisiert oder mechatronisch
Der Systemdesigner sieht sich immer häufiger vor der Fragestellung, ob die Aufgabe der Motoransteuerung auf einer Hauptplatine zentral realisiert werden soll oder ob ein mechatronischer Ansatz gewählt wird, bei dem Motor und Elektronik zu einer Einheit zusammengefasst werden. Der dezentrale Ansatz scheint auf den ersten Blick attraktiv, scheitert jedoch leicht an den „Nebenkosten“ für die Stromversorgung, dem zusätzlich erforderlichen leistungsfähigen Controller und einem zu großem Bauraum bei diskreter Realisierung. Der TMC603 ist für beide Konzepte gerüstet: Er kann relativ kostengünstige Mikrocontroller zur einfachen block-kommutierten Ansteuerung eines BLDC-Motors ergänzen, unterstützt aber auch durch entsprechende Messwert-Aufbereitung aufwendige sinus-kommutierte Systeme.
Am Anfang steht die Stromversorgung
Gerade ein mechatronisches System erfordert eine kleine und kostengünstige Stromversorgung für die Digital- Elektronik. Wer jedoch schon einmal einen Linearregler für die Versorgung von Mikrocontroller und Interface eingesetzt hat, weiß, dass der Spannungsregler schon bei einem Betrieb mit 24 V oft ein Vielfaches der Verlustleistung der Motorendstufe verursacht und eine kleine Platine stark erwärmt. Bei 48 V ist ein Linearregler schlichtweg unmöglich. Abhilfe schaffen hier Schaltregler. Leider sind Schaltregler- ICs für hohe Versorgungsspannungen immer noch recht teuer. Dies war einer der Gründe, beim TMC603 einen Schaltregler zu integrieren, der neben der Versorgung des BLDC-Controllers auch die Versorgung eines Mikrocontrollers samt Interface abdecken kann.
Adaptives „break before make“
Es muss sichergestellt sein, dass zu jedem Zeitpunkt nur einer der beiden Transistoren der Halbbrücke leitend ist – sonst kommt es zu dem so genannten Durchzünden und damit zur Zerstörung der Endstufe. Eine Möglichkeit besteht darin, feste Totzeiten zu definieren, die an die Charakteristik der MOSFETs angepasst werden. Dies kann durch die PWM-Einheiten im Mikrocontroller erfolgen oder im Predriver fest vorgegeben werden. Die Nachteile: Die erste Lösung erfordert eine spezielle PWM und eine zusätzliche Feinabstimmung. Bei den festen Zeiten im Predriver findet man sich hingegen, was die Totzeit betrifft, oft zu weit auf der sicheren Seite. Daraus aber resultiert eine Minderung der Leistungsdaten des Antriebs. Keinesfalls darf die Totzeit zu knapp bemessen werden: Starke EMV-Störungen sind die Folge, und die Transistoren werden durch hohe Stoßströme und die daraus resultierenden induktiven Überspannungen gefährdet. Trinamic geht mit dem TMC603 den Weg, die Spannung an den MOSFET-Gates tatsächlich zu messen und als „Gate off“-Signale in die „Break before make“-Schaltung zurückzuführen. Aus diese Weise lassen sich mit einer einfachen PWM-Einheit die MOSFETs optimal steuern, ohne dass sich der Entwickler über Totzeiten Gedanken machen muss.
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